`binlog` `GTID` 的`生命周期`：从`事务`提交到`GTID`集合的`更新`与`传递`。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

好的，下面是一篇关于 MySQL binlog GTID 生命周期从事务提交到 GTID 集合更新与传递的技术文章，以讲座的形式呈现，包含代码示例和逻辑分析。

MySQL Binlog GTID 生命周期：从事务提交到 GTID 集合的更新与传递

大家好！今天我们来深入探讨 MySQL 中 binlog 和 GTID（Global Transaction Identifier）的生命周期，重点关注从事务提交到 GTID 集合更新与传递的整个过程。理解这个过程对于构建高可用、可扩展的 MySQL 集群至关重要。

1. GTID 简介

首先，我们简单回顾一下 GTID 的概念。GTID 是一个全局唯一的事务标识符，它由 server_uuid 和 transaction_id 组成，格式如下：

GTID = server_uuid:transaction_id

server_uuid: MySQL 服务器的唯一 UUID。
transaction_id: 在该服务器上提交的事务的递增计数器。

GTID 的引入解决了传统基于文件名和位置（binlog file name/position）进行复制的诸多问题，例如：

简化复制配置: 无需手动指定复制起点。
自动故障转移: 从库可以自动找到新的主库的复制起点。
防止数据丢失: 保证事务在所有服务器上执行且只执行一次 (exactly-once semantics)。

2. 事务提交与 GTID 生成

当一个事务在 MySQL 服务器上提交时，会发生以下关键步骤：

事务准备 (Prepare): 事务在存储引擎中完成所有必要的准备工作，例如写入 redo log。
生成 GTID: MySQL 服务器为该事务分配一个新的 GTID。这个 GTID 是基于当前服务器的 server_uuid 和递增的 transaction_id 生成的。
写入 Binlog: 事务的所有变更（SQL 语句或行变更）以及生成的 GTID 会被写入到 binlog 文件中。
事务提交 (Commit): 事务在存储引擎中被最终提交，标记为已完成。
更新 GTID executed set: 服务器将新生成的 GTID 添加到 gtid_executed 集合中，表示该 GTID 对应的事务已经在本服务器上执行。

下面是一个简化的代码流程，用于说明 GTID 的生成和写入 binlog 的过程 (这只是一个概念性的代码，真实 MySQL 源码远比这复杂):

// 假设在一个事务提交函数中

bool commit_transaction() {
  // 1. 事务准备
  if (!prepare_transaction()) {
    return false;
  }

  // 2. 生成 GTID
  std::string server_uuid = get_server_uuid();
  long long transaction_id = increment_transaction_id(); // 原子递增
  std::string gtid = server_uuid + ":" + std::to_string(transaction_id);

  // 3. 写入 Binlog
  if (!write_to_binlog(gtid, get_transaction_changes())) {
    return false;
  }

  // 4. 事务提交
  if (!finalize_transaction()) {
    return false;
  }

  // 5. 更新 GTID executed set
  add_gtid_to_executed_set(gtid);

  return true;
}

3. Binlog 格式与 GTID 事件

MySQL 支持多种 binlog 格式，包括 STATEMENT、ROW 和 MIXED。无论哪种格式，GTID 都以特定的事件形式记录在 binlog 中。最常见的 GTID 事件是 GTID_LOG_EVENT。

GTID_LOG_EVENT 包含以下信息：

GTID: 事务的 GTID。
flags: 标志位，用于指示事务的属性，例如是否是匿名事务。

当从库读取 binlog 时，会解析 GTID_LOG_EVENT，提取 GTID，并将其用于判断是否需要执行该事务。

例如，一个简化的 GTID_LOG_EVENT 的结构体定义如下 (这只是一个示例，实际的结构体定义在 MySQL 源码中):

struct GTID_LOG_EVENT {
  unsigned char event_type; // 事件类型，例如 GTID_EVENT
  unsigned long long timestamp; // 时间戳
  unsigned int server_id;  // 服务器 ID
  unsigned int event_size; // 事件大小
  unsigned char flags;  // 标志位
  char gtid[GTID_LENGTH]; // GTID 字符串
};

4. GTID 集合与 `gtid_executed`

gtid_executed 是一个服务器维护的集合，用于记录该服务器已经执行过的所有 GTID。这个集合通常存储在 MySQL 的系统表中，例如 mysql.gtid_executed。 gtid_executed 的作用至关重要：

幂等性保证: 防止同一事务被重复执行。如果一个从库接收到一个 GTID，发现它已经存在于 gtid_executed 中，则会跳过该事务。
复制起点: 当从库连接到主库时，会将自己的 gtid_executed 发送给主库，主库根据这两个集合的差异，确定从库需要哪些 binlog 事件。

gtid_executed 的更新方式有多种：

基于 binlog: 从 binlog 中读取 GTID_LOG_EVENT，并将 GTID 添加到 gtid_executed 中。
基于事务提交: 如前面代码示例所示，事务提交后，立即将 GTID 添加到 gtid_executed 中。
基于 gtid_next: gtid_next 变量用于指定下一个要执行的 GTID。当 gtid_next 被设置为一个特定的 GTID 时，服务器会尝试查找并执行该 GTID 对应的事务。

gtid_executed 可以用多种形式来表示，比如集合，或者一段范围等等。

5. GTID 的传递与复制

GTID 的传递是实现基于 GTID 的复制的关键。其流程如下：

从库连接主库: 从库连接到主库，并发送自己的 gtid_executed 集合。
主库计算差异: 主库比较自己的 gtid_executed 集合和从库发送的 gtid_executed 集合，找出从库缺失的 GTID。
主库发送 binlog: 主库从 binlog 中读取包含缺失 GTID 的事件，并将这些事件发送给从库。
从库执行事务: 从库接收到 binlog 事件后，提取 GTID，检查是否已经存在于自己的 gtid_executed 中。如果不存在，则执行该事务，并将 GTID 添加到 gtid_executed 中。

以下是一个简化的流程图：

+----------+      +----------+
|  主库    |      |  从库    |
+----------+      +----------+
     |          连接，发送 gtid_executed
     |--------------------->|
     |          计算差异
     |                      |
     |          发送 binlog 事件
     |<---------------------|
     |                      |
     |          执行事务，更新 gtid_executed
     |                      |
+----------+      +----------+

6. `gtid_mode` 与 `enforce_gtid_consistency`

MySQL 提供了 gtid_mode 和 enforce_gtid_consistency 两个重要的配置选项，用于控制 GTID 的行为。

gtid_mode: 控制服务器是否启用 GTID。可以设置为 OFF、ON、OFF_PERMISSIVE、ON_PERMISSIVE。
- OFF: 禁用 GTID。
- ON: 启用 GTID，强制所有事务都必须具有 GTID。
- OFF_PERMISSIVE: 允许同时存在 GTID 事务和匿名事务，但新事务会尝试使用匿名事务。
- ON_PERMISSIVE: 允许同时存在 GTID 事务和匿名事务，但新事务会尝试使用 GTID。
enforce_gtid_consistency: 控制是否强制 GTID 的一致性。可以设置为 OFF 或 ON。
- OFF: 允许执行可能导致 GTID 不一致的操作，例如创建临时表。
- ON: 禁止执行可能导致 GTID 不一致的操作，例如创建临时表。强烈建议在生产环境中启用此选项。

正确配置这两个选项对于保证 GTID 的正确性和数据的一致性至关重要。通常建议将 gtid_mode 设置为 ON，并将 enforce_gtid_consistency 设置为 ON。

7. GTID 相关系统变量

MySQL 提供了一系列系统变量，用于监控和管理 GTID。一些常用的变量包括：

系统变量	描述
`gtid_mode`	当前 GTID 模式。
`enforce_gtid_consistency`	是否强制 GTID 一致性。
`gtid_executed`	包含服务器已执行的所有 GTID 的集合。
`gtid_purged`	包含已经被清除的 GTID 的集合。这些 GTID 对应的 binlog 文件已经被删除，因此无法用于复制。
`gtid_next`	指定下一个要执行的 GTID。
`binlog_gtid_simple_recovery`	控制服务器如何从 binlog 中恢复 GTID 信息。

可以使用 SHOW GLOBAL VARIABLES LIKE 'gtid_%'; 命令查看这些变量的值。

8. GTID 的局限性与最佳实践

虽然 GTID 带来了很多好处，但也存在一些局限性：

性能影响: 启用 GTID 可能会带来一定的性能开销，因为需要生成和管理 GTID。
兼容性问题: 旧版本的 MySQL 可能不支持 GTID，因此需要考虑兼容性问题。
复杂性: GTID 的配置和管理相对复杂，需要一定的专业知识。

以下是一些使用 GTID 的最佳实践：

启用 enforce_gtid_consistency: 确保数据的一致性。
监控 GTID 相关变量: 及时发现和解决问题。
使用最新的 MySQL 版本: 可以获得更好的 GTID 支持和性能。
谨慎处理匿名事务: 尽量避免使用匿名事务，因为它们不包含 GTID，可能会导致复制问题。
在升级或迁移之前，充分测试 GTID: 确保一切正常工作。

9. 案例分析：GTID 在主从切换中的应用

假设我们有一个主库 A 和一个从库 B，并且启用了 GTID。当主库 A 发生故障时，我们需要将从库 B 提升为新的主库。以下是简化的步骤：

停止从库 B 的复制: STOP SLAVE;
确定新的主库 B 的复制起点: 查看从库 B 的 gtid_executed 集合。这个集合包含了从库 B 已经执行的所有 GTID。
提升从库 B 为新的主库: 将从库 B 设置为只读模式，并进行必要的配置更改。
配置新的从库: 新的从库连接到新的主库 B，并发送自己的 gtid_executed 集合。主库 B 根据这两个集合的差异，确定新的从库需要哪些 binlog 事件。

在这个过程中，GTID 简化了复制起点的确定，避免了手动查找 binlog 文件名和位置的麻烦。

10. 深入源码：GTID 的实现细节

MySQL 中 GTID 的实现涉及多个模块，包括：

sql/log.cc: 负责 binlog 的写入和读取。
sql/gtid.cc: 负责 GTID 的生成和管理。
sql/rpl_slave.cc: 负责从库的复制。

深入研究这些模块的源码可以更好地理解 GTID 的工作原理。例如，可以查看 GTID_LOG_EVENT 的定义和处理方式，以及 gtid_executed 集合的存储和更新方式。

补充说明

gtid_executed 可以使用多种存储引擎，比如内存表，磁盘表等等。不同的存储引擎有不同的性能和持久化特性。
gtid_executed 可以通过 RESET MASTER 或者 RESET SLAVE 等命令来重置。在生产环境中要谨慎使用这些命令，因为可能会导致数据不一致。
在多主架构中，GTID 的管理会更加复杂，需要考虑 GTID 的冲突问题。
MySQL 8.0 对 GTID 进行了增强，例如支持 GTID 的在线重置。

保证数据一致性的关键

要保证 GTID 在复制过程中的数据一致性，需要注意以下几个方面：

正确配置 gtid_mode 和 enforce_gtid_consistency: 这是最基本的要求。
避免执行可能导致 GTID 不一致的操作: 例如创建临时表、使用 CREATE TABLE ... SELECT 语句等。
监控 GTID 相关变量: 及时发现和解决问题。
定期进行数据校验: 可以使用 pt-table-checksum 等工具进行数据校验。
在进行任何更改之前，备份数据: 以防万一。

总结与展望

今天我们深入探讨了 MySQL binlog GTID 的生命周期，从事务提交到 GTID 集合的更新与传递。掌握这些知识对于构建高可用、可扩展的 MySQL 集群至关重要。希望通过今天的讲解，大家能够更好地理解 GTID 的工作原理，并在实际应用中灵活运用。随着 MySQL 的不断发展，GTID 的功能也会不断增强，未来将会在更多场景中发挥重要作用。